DE102012101144A1

DE102012101144A1 - Hochleistungs-Lasereinrichtung mit exakt korrigierbarer Laserstärke

Info

Publication number: DE102012101144A1
Application number: DE102012101144A
Authority: DE
Inventors: Yuji Nishikawa; Atsushi Mori; Koji Hayano
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2011-02-17
Filing date: 2012-02-14
Publication date: 2012-08-23
Anticipated expiration: 2032-02-15
Also published as: CN102646919A; US20120213238A1; US8428092B2; CN102646919B; JP2012174720A; DE102012101144B4; JP5068863B2

Abstract

Bereitgestellt wird eine Hochleistungslaser-Einheit, die in der Lage ist, Laser-Leistungsabgaben von einer geringen Leistungsabgabe bis zur Nennleistungsabgabe zu korrigieren, und zwar auch dann, wenn die Lasereinheit eine Laserleistungs-Überwachung besitzt, die von Umgebungsfaktoren innerhalb oder außerhalb der Lasereinheit beeinflusst werden kann, und dies durch eine wirksame Verringerung vom Umgebungseinflüssen. Die Lasereinheit umfasst eine Laserleistungs-Überwachung zum Messen der Laser-Leistungsabgabe, einen Lasercontroller zum Korrigieren der Laser-Leistungsabgabe durch die Korrektur der Höhe der Anregungsenergie für eine Laserstromversorgung, damit ein Messwert mit einem Sollwert für die Laser-Leistungsabgabe übereinstimmt. Die Lasereinheit besitzt einen Laser-Leistungsabgabe-Befehlsabschnitt, der einen Laser-Leistungsabgabebefehl erzeugt. Ist es nicht nötig, den Laser-Leistungsabgabebefehl zu korrigieren, so wird der Laser-Leistungsabgabebefehl in einen Anregungsenergie-Sollwert umgewandelt und an die Stromversorgung gesendet. Andernfalls korrigiert ein Leistungsabgabe-Korrekturabschnitt des Lasercontrollers den Laser-Leistungsabgabebefehl.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Lasereinheit und insbesondere eine Hochleistungs-Lasereinheit, bei der die Leistungsabgabe des Lasers exakt korrigiert werden kann.
2. Beschreibung des Stands der Technik
In einer Lasereinheit, die für die Laserbearbeitung oder ähnliche Zwecke verwendet wird, ist es häufig erforderlich, dass die Leistungsabgabe des Lasers korrigiert wird, damit man das gewünschte Bearbeitungsverhalten erzielt. In der ungeprüften japanischen Patentschrift (Kokai) Nr. 2005-251855 ist beispielsweise eine Lasereinheit offenbart, in der ein Laseroszillator erwärmt oder gekühlt wird, damit die gemessene Temperatur eines bestimmten Orts des Laseroszillators oder einer Laseranwendungseinheit innerhalb eines konstanten Temperaturbereichs liegt. Anschließend wird ein Korrekturkoeffizient zum Korrigieren eines Sollwerts für die Leistungsabgabe des Lasers bestimmt.
In der ungeprüften japanischen Patentschrift (Kokai) Nr. 9-107146 ist eine Regelvorrichtung für die Leistungsabgabe eines Lasers offenbart, die dafür ausgelegt ist, in zufälliger Weise eine Anzahl Spannungsbefehle mit unterschiedlichen Pegeln an eine Laserstromversorgung zu liefern, bevor der Laser tatsächlich in Betrieb geht. Dadurch wird eine Datentabelle erzeugt, die den Zusammenhang zwischen einem Spannungs-Sollwert oder einem Strom-Sollwert und einem Energiewert des Laserstrahls darstellt. Beim tatsächlichen Betrieb des Lasers entnimmt die Regelvorrichtung den Sollspannungswert oder den Sollstromwert, der zu einem Leistungsabgabe-Sollwert gehört, aus der Datentabelle, und überträgt den entnommenen Wert an die Laserstromversorgung.
Zudem ist in der ungeprüften japanischen Patentschrift (Kokai) Nr. 6-61565 eine Vorgehensweise zum Stabilisieren der Leistungsabgabe eines Lasers offenbart, wobei die Abweichung der Laserenergie bezogen auf einen Energiezielwert unmittelbar nach dem Initiieren der Laseroszillation korrigiert wird. Bei dieser Vorgehensweise wird Information bezüglich der Laserstrahlenergie und der Laseranregungsintensität von mindestens dem Beginn eines jeden kontinuierlichen Oszillationsvorgangs in einer Speichervorrichtung abgelegt. Die gespeicherte Information hinsichtlich der Laserstrahlenergie und der Laseranregungsintensität zu Beginn des vorhergehenden kontinuierlichen Oszillationsvorgangs wird dazu verwendet, die Laseranregungsintensität zu Beginn des folgenden kontinuierlichen Oszillationsvorgangs zu bestimmen.
Als Verfahren zum Gewinnen einer Laser-Leistungsabgabe gemäß einem Sollwert in der Lasereinheit kennt man ein Verfahren, in dem eine Rückführungsregelung verwendet wird. Eine Rückführungsregelung erfordert jedoch eine Messvorrichtung, beispielsweise eine Überwachung für die Laserleistung, die die Leistungsabgabe des Lasers sehr rasch und korrekt messen kann. Da Laserleistungs-Überwachungen teuer sind, und sie abhängig vom Wellenlängenband des Lasers unzuverlässig sein können, kann ein Leistungsüberwacher mit langem Messzyklus erforderlich sein. In einem derartigen Fall kann man keine Rückführungsregelung mit hoher Genauigkeit vornehmen. Daher wird in manchen Fällen eine offener Regelkreis oder eine Steuerung mit einer Rückführungsregelung kombiniert, damit man eine Laser-Leistungsabgabe erhält, die einem Sollwert entspricht. Wird ein offener Regelkreis oder eine Steuerung mit einer Rückführungsregelung kombiniert, so muss die Leistungsabgabe des Lasers korrigiert werden, um einen Koeffizienten zu bestimmen, der im Voraus die tatsächliche Laser-Leistungsabgabe bezogen auf einen Sollwert vorhersagt.
Da die Lasereinheit zudem dafür entworfen ist, eine Nennleistung abzugeben, ist das Schwankungsverhältnis der Laser-Leistungsabgabe bei geringen Laserleistungen beträchtlich. Da die Laserleistungs-Überwachung ebenfalls dafür entworfen ist, die Nennleistung exakt zu messen, ist der Messfehler bei geringen Laserleistungen relativ groß. Da ferner die Höhe der Schwankung und des Messfehlers von Umgebungsfaktoren innerhalb oder außerhalb der Lasereinheit abhängt, ist es schwierig, die Leistungsabgabe des Lasers exakt zu korrigieren.
Da der Laser und die Laserleistungs-Überwachung weiterhin von verschiedenen Faktoren beeinflusst werden, hängen die Abgabe des Lasers bei geringen Leistungen und die diesbezüglichen Messungen von der Vorgeschichte der Temperatur vor dem Messvorgang ab. Dies bedeutet, dass auch dann, wenn ein Temperaturmessergebnis an einigen Punkten innerhalb oder außerhalb der Lasereinheit und/oder der Laserleistungs-Überwachung mit einem weiteren Temperaturmessergebnis übereinstimmt, zwei Messergebnisse der Laser-Leistungsabgabe nicht immer miteinander übereinstimmen müssen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Hochleistungs-Lasereinheit bereitzustellen, die in der Lage ist, die Laser-Leistungsabgabe von geringen Leistungsabgaben bis zur Nennleistungsabgabe exakt zu korrigieren, und zwar auch dann, wenn die Lasereinheit eine Laserleistungs-Überwachung hat, die von Umgebungsfaktoren innerhalb oder außerhalb der Lasereinheit beeinflusst wird, indem die Effekte der Umgebungsfaktoren wirksam reduziert werden.
Die Erfindung stellt eine Lasereinheit bereit, umfassend:
einen Befehlsabschnitt für die Laser-Leistungsabgabe, der dafür ausgelegt ist, einen Befehl für die Laser-Leistungsabgabe zu erzeugen, der auf einem vorbestimmten Programm oder einer Benutzereingabe beruht;
einen Befehlsabschnitt für die Anregungsenergie, der dafür ausgelegt ist, aus dem Befehl für die Laser-Leistungsabgabe einen Befehl für die Anregungsenergie zu erzeugen, der an eine Laser-Stromversorgung übertragen wird;
eine Laserleistungs-Überwachung, die dafür ausgelegt ist, die Leistungsabgabe des Lasers zu messen, die man durch die Anregungsenergie erhält, die die Laser-Stromversorgung abgibt;
einen Leistungsabgabe-Korrekturabschnitt, der dafür ausgelegt ist, einen Korrekturkoeffizienten zu bestimmen, der dem Korrigieren der Soll-Leistungsabgabe dient und in dem Befehl für die Laser-Leistungsabgabe enthalten ist, damit die befohlene Leistungsabgabe mit der Laser-Leistungsabgabe übereinstimmt, die die Laserleistungs-Überwachung misst;
einen Abschnitt für eine vorbereitende Laser-Leistungsabgabe, der dafür ausgelegt ist, eine vorbereitende Laser-Leistungsabgabe auszuführen, und zwar für eine vorbestimmte Zeitdauer und bei einer oder mehreren voreingestellten Bedingungen für die Laser-Leistungsabgabe, wobei sich ein Befehl für die vorbereitende Laser-Leistungsabgabe von einem Befehl für die Laser-Leistungsabgabe unterscheidet, der dem Ermitteln des Korrekturkoeffizienten dient; und
einen Korrekturabschnitt für die Laserausgabe, der dafür ausgelegt ist, nach der vorbereitenden Laser-Leistungsabgabe eine Korrektur-Laser-Leistungsabgabe über eine Zeitspanne auszugeben, und zwar gemäß einer Bedingung für die Laser-Leistungsabgabe, die dem Ermitteln des Korrekturkoeffizienten dient, wobei der Leistungsabgabe-Korrekturabschnitt den Korrekturkoeffizienten anhand eines Messergebnisses der vorbereitenden Laser-Leistungsabgabe und der Korrektur-Laser-Leistungsabgabe bestimmt.
In einer bevorzugten Ausführungsform beruht die Laser-Leistungsabgabe des Abschnitts für die vorbereitende Laser-Leistungsabgabe auf einer Anzahl Befehle für die Laser-Leistungsabgabe, die unterschiedliche Leistungsabgabewerte enthalten. Dabei enthält die Anzahl Befehle für die Laser-Leistungsabgabe einen Befehl, durch den die Laser-Leistungsabgabe der Reihe nach von einer hohen Laser-Leistungsabgabe auf eine geringe Laser-Leistungsabgabe eingestellt wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform korrigiert der Korrekturabschnitt für die Leistungsabgabe den Befehl für die Laser-Leistungsabgabe gestützt auf ein Messergebnis der Laser-Leistungsabgabe unter mehreren Bedingungen für den Laser-Leistungsabgabe-Befehl. Dabei korrigiert der Korrekturabschnitt für die Leistungsabgabe den Leistungsabgabebefehl so, dass die Laser-Leistungsabgabe, die die Laserleistungs-Überwachung misst, mit der Soll-Leistungsabgabe zusammenfällt, jedoch nur dann, wenn die Bedingung für den Laser-Leistungsabgabe-Befehl unter einem vorbestimmten Wert liegt.
In einer bevorzugten Ausführungsform korrigiert der Korrekturabschnitt für die Leistungsabgabe den Befehl für die Laser-Leistungsabgabe gestützt auf ein Messergebnis der Laser-Leistungsabgabe unter mehreren Bedingungen für den Laser-Leistungsabgabe-Befehl. Dabei wird die geringste Bedingung für den Laser-Leistungsabgabe-Befehl abhängig von einem Messergebnis der Laser-Leistungsabgabe der anderen Bedingungen für den Laser-Leistungsabgabe-Befehl berechnet.
In einer bevorzugten Ausführungsform korrigiert der Korrekturabschnitt für die Leistungsabgabe den Befehl für die Laser-Leistungsabgabe gestützt auf ein Messergebnis der Laser-Leistungsabgabe unter mehreren Bedingungen für den Laser-Leistungsabgabe-Befehl. Dabei wird die geringste Bedingung für den Laser-Leistungsabgabe-Befehl abhängig von einem Messergebnis der Laser-Leistungsabgabe der anderen Bedingungen für den Laser-Leistungsabgabe-Befehl und einem Messergebnis einer früheren korrigierten Laser-Leistungsabgabe berechnet, das vorher gespeichert wurde.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die beschriebenen Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile gehen aus der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung mit Hilfe der beigefügten Zeichnungen deutlicher hervor.
Es zeigt:
1 eine Anordnungsskizze einer Lasereinheit einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
2 eine Kurve, die den Zusammenhang zwischen der Soll-Leistungsabgabe und der Anregungsenergie darstellt;
3 eine Kurve, die den Zusammenhang zwischen der Anregungsenergie und der Laser-Leistungsabgabe darstellt;
4 eine Kurve, die den Zusammenhang zwischen der Soll-Leistungsabgabe und der Laser-Leistungsabgabe darstellt;
5 eine Kurve, die den Zusammenhang zwischen der Soll-Leistungsabgabe und der Laser-Leistungsabgabe darstellt, wobei ein Beispiel für die Korrektur der Laser-Leistungsabgabe erklärt wird;
6a eine Kurve, die den Zusammenhang zwischen der Anregungsenergie und der Laser-Leistungsabgabe darstellt, wobei ein Beispiel für die Korrektur der Laser-Leistungsabgabe erklärt wird;
6b eine teilweise vergrößerte Ansicht von 6a;
7 eine Anordnungsskizze einer Lasereinheit einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
8 eine Kurve, wobei Laser-Leistungsabgabevorgänge nacheinander in einer vorbestimmten Abfolge ausgeführt werden, und zwar abhängig von Befehlsbedingungen für die Laser-Leistungsabgabe, die sich von einem Korrekturbefehl für die Laser-Leistungsabgabe unterscheiden, und vor dem Ausführen eines Korrekturvorgangs für die Laser-Leistungsabgabe; und
9 eine Kurve, wobei Laser-Leistungsabgabevorgänge nacheinander abhängig von Befehlsbedingungen für die Laser-Leistungsabgabe ausgeführt werden, die sich von den Befehlsbedingungen für die Leistungsabgabe in 8 unterscheiden.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
1 zeigt eine Anordnungsskizze einer Lasereinheit der Erfindung. Die Lasereinheit 10 enthält eine Laserleistungs-Überwachung 12, die dafür ausgelegt ist, die Laser-Leistungsabgabe zu messen, und einen Lasercontroller 16, der die Funktion hat, die Laser-Leistungsabgabe dadurch zu korrigieren, dass die Höhe der Anregungsenergie durch die Laserstromversorgung 14 korrigiert wird, damit ein von der Laserleistungs-Überwachung 12 gemessener Messwert der Laser-Leistungsabgabe mit dem Sollwert der Laser-Leistungsabgabe zusammenfällt.
Der Lasercontroller 16 weist einen Laser-Leistungsabgabe-Befehlsabschnitt 18 auf, der dafür ausgelegt ist, einen Befehl für die Laser-Leistungsabgabe abhängig von einem vorbestimmten Programm, beispielsweise einem NC-Programm, oder einer direkten Benutzereingabe zu erzeugen. Der Befehl für die Laser-Leistungsabgabe wird in einem Anregungsenergie-Befehlsabschnitt 20 in einen Anregungsenergie-Sollwert umgewandelt, beispielsweise Leistung, Spannung oder Lichtmenge, falls der Befehl für die Laser-Leistungsabgabe nicht korrigiert werden muss, beispielsweise zu Beginn der Produktion. Daraufhin wird der umgewandelte Befehl an die Laserstromversorgung 14 übertragen. Die Laserstromversorgung 14 gibt Energie, beispielsweise als abgegebenes oder angeregtes Licht, an ein Lasermedium weiter, beispielsweise ein Lasergas in einer Entladungsröhre 22, und zwar gemäß dem Anregungsenergie-Sollwert, damit Laserschwingungen erzeugt werden. Ist es dagegen erforderlich, den Befehl für die Laser-Leistungsabgabe zu korrigieren, so korrigiert ein Leistungsabgabe-Korrekturabschnitt 24 des Lasercontrollers 16 den Befehl für die Laser-Leistungsabgabe, wie im Folgenden erklärt wird.
Ein hinterer Spiegel 26 (totalreflektierender Spiegel) ist an einem Ende der Entladungsröhre 22 angeordnet. Am anderen Ende der Entladungsröhre 22 ist ein Ausgabespiegel 28 (halbdurchlässiger Spiegel) angeordnet. Die Entladungsröhre 22 und die beiden Spiegel bilden zusammen einen Laserresonator. Wird an die Entladungsröhre 22 eine hochfrequente Spannung angelegt, so wird das Lasergas in der Entladungsröhre durch Entladung angeregt, und im Resonator wird Licht erzeugt. Das erzeugte Licht wird wiederholt zwischen dem Spiegel 26 und dem Spiegel 28 reflektiert und durch die induzierte Emission verstärkt. Ein Teil des verstärkten Lichts wird vom Ausgabespiegel 28 als Laserstrahl ausgegeben.
Ein Teil des vom Spiegel 28 ausgegebenen Laserstrahls durchdringt einen halbdurchlässigen Spiegel 30, der im Lichtweg des Laserstrahls angeordnet ist, und wird anschließend von der Laserleistungs-Überwachung 12 gemessen. Das Verhältnis der Energie, die für die Messung in der Laserleistungs-Überwachung 12 verwendet wird, zu der Energie des ausgegebenen Laserstrahls beträgt ungefähr 0,1 bis 0,5 Prozent. Der vom halbdurchlässigen Spiegel 30 reflektierte Laserstrahl wird aus dem Oszillator ausgegeben und für verschieden Anwendungen genutzt. Man kann eine Blende 34 vorsehen, die den Laserstrahl blockiert oder ihn auf einen Strahlabsorber 32 reflektiert, wodurch der Laserstrahl nicht aus dem Oszillator austreten kann. Zusätzlich kann der hintere Spiegel 26 als halbdurchlässiger Spiegel ausgebildet werden, und man kann die Laserleistungs-Überwachung 12 an einer Seite des Spiegels 26 anordnen, die von der Seite der Entladungsröhre 22 abgewandt ist.
Ist der Laserleistungs-Messwert von der Laserleistungs-Überwachung 12 ein Analogwert, so besitzt der Lasercontroller 16 einen Umsetzabschnitt 36 für den Leistungsüberwachungswert (Umsetzer), der den Messwert in ein digitales Signal umsetzt. Der Umsetzer 36 für den Leistungsüberwachungswert setzt den Ausgabewert (Analogsignal) der Laserleistungs-Überwachung 12 in ein digitales Signal um (A/D-Umsetzung), stellt seinen Nullpunkt des digitalen Signals ein und multipliziert das digitale Signal mit einer vorbestimmten Verstärkung, damit der Lasercontroller 16 das digitale Signal als exakten Wert der Laser-Leistungsabgabe verwenden kann.
Nun wird der Zusammenhang zwischen der Soll-Leistungsabgabe, die im Leistungsabgabe-Befehl enthalten ist, der Anregungsenergie und der Laser-Leistungsabgabe anhand von 2 bis 4 erklärt. Ist eine Soll-Leistungsabgabe vorgeben, siehe die gekrümmte Umwandlungsfunktion in 2, so berechnet der Anregungsenergie-Befehlsabschnitt 20 eine Höhe der Anregungsenergie, die der Soll-Leistungsabgabe entspricht. Liefert die Laserstromversorgung 14 die Anregungsenergie, siehe die Charakteristik der Laser-Leistungsabgabe in 3, so erhält man eine Laser-Leistungsabgabe, die der Anregungsenergie entspricht. Ist die gekrümmte Umwandlungsfunktion in 2 eine inverse Funktion der Laser-Leistungsabgabe-Charakteristik in 3, so erhält man, siehe 4, eine bevorzugte Laser-Leistungsabgabe, die proportional zur Soll-Laser-Leistungsabgabe ist. Die Laser-Leistungsabgabe-Charakteristik in 3 schwankt jedoch in aller Regel aufgrund der Umgebung der Lasereinheit und/oder der alterungsbedingten Verschlechterung von Komponenten der Lasereinheit.
Um die Schwankungen der Lasercharakteristik zu handhaben, kann man einige Vorgehensweisen einsetzen. Ein Verfahren besteht darin, eine Rückführungsregelung zu verwenden. Eine Rückführungsregelung erfordert jedoch eine Laserleistungs-Überwachung, die die Laserleistung sehr schnell und exakt messen kann. Eine solche Leistungsüberwachung ist abhängig vom Wellenlängenband teuer und manchmal unzuverlässig. Daher kann eine Leistungsüberwachung erforderlich sein, die einen langen Messzyklus aufweist. In diesem Fall ist eine hochgenaue Rückführungsregelung nicht möglich. Daher wird normalerweise ein offener Regelkreis oder eine Steuerung mit einer Rückführungsregelung kombiniert, damit man eine Laser-Leistungsabgabe erhält, die der Soll-Leistungsabgabe entspricht. Wird ein offener Regelkreis oder eine Steuerung mit einer Rückführungsregelung kombiniert, so lässt sich die Genauigkeit der Laser-Leistungsabgabe verbessern, indem man die in 2 bis 4 dargestellten Funktionen kurzfristig korrigiert.
Sei beispielsweise angenommen, dass sich der Zusammenhang zwischen der Soll-Leistungsabgabe und der Laser-Leistungsabgabe nach 4 verändert, d. h. dass eine Kennlinie 40 in eine Kennlinie 42 übergeht, siehe 5. Ist für diesen Fall ein Sollwert vorgegeben, der dem Punkt Pc₄ entspricht, so erhält man anstelle der Laser-Leistungsabgabe P₄ (Punkt ”A” der Kurve 40) eine Laser-Leistungsabgabe P₄' (Punkt ”B” der Kurve 42), die größer ist als P₄. Man kann die Leistungsabgabe P₄ genau oder zumindest ungefähr erhalten, wenn die Soll-Leistungsabgabe auf Pc₄' gesetzt wird. Pc₄ wird dadurch berechnet, dass man Pc₄ mit dem Verhältnis der Laser-Leistungsabgaben an den Punkten ”A” und ”B” multipliziert (d. h., P₄/P₄').
Erhöht man die Anzahl der für die Korrektur verwendeten Punkte wie oben beschrieben, (beispielsweise auf vier (P₁ bis P₄)), so kann man eine genauere Laser-Leistungsabgabe erhalten. Zudem kann eine Korrektur am Punkt P₀, an dem die Laser-Leistungsabgabe gleich null ist oder einen Wert nahe bei null hat, die Genauigkeit bei einer sehr geringen Laser-Leistungsabgabe verbessern.
Korrigiert man die Kennlinie in 3, die den Zusammenhang zwischen der Anregungsenergie und der Laser-Leistungsabgabe herstellt, so kann man die Laser-Leistungsabgabe mit dem Sollwert für die Laser-Leistungsabgabe (Pc = Pa), siehe 4, zur Deckung bringen, da die Kurve in 2, die den Zusammenhang zwischen der Soll-Leistungsabgabe und der Anregungsenergie herstellt, die Umkehrfunktion der Kurve in 3 ist. Ein konkretes Beispiel hierfür wird anhand von 6a und 6b erklärt. In 6a geht eine Kennlinie 44 in eine Kurve 46 über, und die Laser-Leistungsabgaben P₁ bis P₄, die den gelieferten Anregungsenergiewerten E₁ bis E₄ entsprechen, werden verändert. Misst man die Laser-Leistungsabgaben, die den Anregungsenergiewerten E₁ bis E₄ entsprechen, vor dem Betrieb der Lasereinheit, und korrigiert man die gelieferte Anregungsenergie abhängig von den gemessenen Leistungsabgaben entsprechend zu den Laser-Leistungsabgaben, die man gemäß der normalen Charakteristik erhält, die durch die Kurve 44 beschrieben wird, so kann die Laser-Leistungsabgabe im Betrieb der Lasereinheit im Wesentlichen mit dem Sollwert der Leistungsabgabe zusammenfallen.
Korrigiert man die Laser-Leistungsabgabe für die Kennlinien in 6a und 6b, so ist es wirkungsvoll, zunächst den zugeführten Anregungsenergiewert zu berechnen, (z. B. E₀), der zu der Laser-Leistungsabgabe P₀ gehört, die nahe an der Oszillationsgrenze liegt, damit man für sehr geringe Laser-Leistungsabgaben einen genauen Wert erhält. Ist die ursprüngliche Kennlinie 44 durch Gleichung (1) beschrieben, so kann man die Kennlinie 46 nach der Korrektur aus Gleichung (2) berechnen, die eine Korrekturformel darstellt. Pa = f(Ec) + Ect (1) Pa = k × f(Ec) + Ect' (2)
In den obigen Gleichungen bezeichnet ”f” eine Funktion zum Berechnen von Pa aus Ec. Man kann die Funktion durch Interpolation bestimmen und dazu einen oder mehrere Parameter verwenden, die als Leistungsabgabe-Kennungstabelle im Anregungsenergie-Befehlsabschnitt gespeichert sind. Ect ist der Anregungsenergie-Sollwert (Ec), der der Oszillationsgrenze entspricht, und ”k” ist ein Korrekturkoeffizient. Erfolgt die Korrektur für mehrere Laser-Leistungsabgaben, so kann man mehrere Korrekturkoeffizienten k12, k23, ... verwenden, die den entsprechenden Laser-Leistungsabgaben zugeordnet sind.
In manchen Fällen ist es schwierig, Ect und/oder Ect' exakt zu berechnen. Daher kann die ursprüngliche Kennlinie 44 durch Gleichung (3) dargestellt werden, und die Kennlinie 46 nach der Korrektur kann aus der folgenden Gleichung (4) berechnet werden. Pa = f(Ec) (3) Pa = k × f(Ec) + ΔEct (4)
ΔEct kann man aus Gleichung (5) unten berechnen. Wie 6b zu entnehmen ist, die eine vergrößerte Teilansicht von 6a in der Nähe der Oszillationsgrenze darstellt, kann man ΔEct durch (E₀' – E₀) annähern. Daher kann man die Gleichung (4) in die einfacher handhabbare Gleichung (6) abwandeln. Somit kann man ΔEct als einen Korrekturkoeffizienten betrachten. ΔEct = Ect' – Ect (5) Pa = k × f(Ec) + (E₀' – E₀) (6)
Wie oben erläutert ist es sehr wirkungsvoll, die Laser-Leistungsabgabe entsprechend zu der Veränderung in der Charakteristik der Laser-Leistungsabgabe zu korrigieren. Die Korrektur ist äquivalent zu: dem Berechnen eines Korrekturkoeffizienten hinsichtlich der zugeführten Anregungsenergie oder eines Leistungsabgabe-Sollwerts bei einer Regelung, bei der keine Rückführung verwendet wird; das Ermitteln eines Koeffizienten zum Vergrößern oder Verkleinern einer Steuerungsgröße in einer Rückführungsregelung, die mit einer Steuerung kombiniert ist; oder das Ermitteln eines Werts zum Berechnen eines voreingestellten Werts, der in einen Integrator eingegeben wird, abhängig von einer Soll-Leistungsabgabe, bei einer PI-Regelung.
Die Vorgänge zum Berechnen oder Ermitteln des Korrekturkoeffizienten wie erklärt (im Weiteren als Koeffizienten-Ermittlungsvorgang bezeichnet) werden als vorausgehender Vorgang ausgeführt, beispielsweise vor der Laserbearbeitung durch den Betrieb der Lasereinheit. Im Folgenden wird die Prozedur des Koeffizienten-Ermittlungsvorgangs in der Lasereinheit in 1 erklärt.
Soll, siehe 1, bei Betrieb der Lasereinheit 10 ein Laserstrahl ausgegeben werden, so ist die Blende 34 geöffnet, damit der Laserstrahl nach außen abgegeben wird. Erfolgt dagegen der Koeffizienten-Ermittlungsvorgang, so ist die Blende 34 geschlossen, und der Laserstrahl wird auf den Strahlabsorber 32 ausgegeben und nicht nach außen. Der Strahlabsorber 32 absorbiert nahezu 100 Prozent des Laserstrahls und wandelt den absorbierten Laserstrahl in Wärme um.
Der Laser-Leistungsabgabe-Befehlsabschnitt 18 erzeugt den Leistungsabgabebefehl, der einen Soll-Leistungsabgabewert enthält, und er gibt gleichzeitig einen Korrekturbefehl an den Leistungsabgabe-Korrekturabschnitt 24 aus. Der Korrekturbefehl enthält einige Arten von Signalen, z. B. ein Signal zum Korrigieren des Leistungsabgabebefehls im Betrieb, wobei die Lasereinheit 10 den Laserstrahl nach außen abgibt, und zum Berechnen des Leistungsabgabebefehls für den Anregungsenergie-Befehlsabschnitt 20 mit Hilfe des Korrekturkoeffizienten; und ein Signal, das die Ausführung des Koeffizienten-Ermittlungsvorgangs befiehlt. Ferner kann der Laser-Leistungsabgabe-Befehlsabschnitt 18 einen Befehl zum Ausführen einer Korrektur-Laser-Leistungsabgabe (Laser-Leistungsabgabe für die Korrektur) oder einer vorbereitenden Laser-Leistungsabgabe erzeugen, siehe unten.
Der Koeffizienten-Ermittlungsvorgang kann beispielsweise gemäß der nachstehenden Prozedur ausgeführt werden.
Zunächst wird aufgrund einer direkten Eingabe einer Bedienperson oder eines Befehls eines vorher erstellten NC-Programms eine Folge zum Bestimmen eines Korrekturkoeffizienten für die Korrektur der Laser-Leistungsabgabe angestoßen. Der Laser-Leistungsabgabe-Befehlsabschnitt 18 gibt einen Ausgabebefehl, der einen vorbestimmten Sollausgabewert enthält, an den Leistungsabgabe-Befehlsabschnitt 24 aus, und er gibt gleichzeitig einen Korrekturbefehl zum Ermitteln des Korrekturkoeffizienten an den Leistungsabgabe-Korrekturabschnitt 24 aus. Der Leistungsabgabe-Korrekturabschnitt 24 sendet gemäß dem Befehl von dem Laser-Leistungsabgabe-Befehlsabschnitt 18 für eine gegebene Zeitspanne einen Ausgabebefehl, der einen Sollausgabewert enthält, an den Anregungsenergie-Befehlsabschnitt 20, bis die Laser-Leistungsabgabe stabil wird oder die Schwankungen der Laser-Leistungsabgabe ausreichend klein werden. Anders als im Normalbetrieb wird diese Befehlsausgabe nicht mit dem Korrekturkoeffizienten multipliziert.
Der Anregungsenergie-Befehlsabschnitt 20 gibt einen Anregungsenergie-Sollwert an die Laserstromversorgung 14 aus, der der Soll-Leistungsabgabe aus dem Leistungsabgabe-Korrekturabschnitt 24 entspricht. Nun liefert die Laserstromversorgung 14 Energie an das Lasermedium zwischen dem Ausgabespiegel 28 und dem hinteren Spiegel 26. Das mit der gelieferten Energie angeregte Lasermedium beginnt Licht auszusenden. Das Licht wird durch Resonanz zwischen den Spiegeln 26 und 28 verstärkt. Dadurch wird ein Laserstrahl vom Ausgabespiegel 28 ausgegeben, der ein halbdurchlässiger Spiegel ist. Der ausgegebene Laser wird von der Leistungsüberwachung 12 gemessen. Der gemessene Laser-Leistungsabgabewert wird im Leistungsabgabe-Korrekturabschnitt 24 mit der Soll-Leistungsabgabe verglichen. Stimmt die Laser-Leistungsabgabe mit dem Soll-Leistungsabgabe überein, so wird der Korrekturkoeffizient auf eins gesetzt. Andernfalls wird der Korrekturkoeffizient anhand der Formeln berechnet, die im Leistungsabgabe-Korrekturabschnitt 24 gespeichert sind.
Der berechnete Korrekturkoeffizient wird im Leistungsabgabe-Korrekturabschnitt 24 gespeichert. Wie beschrieben ist die Anzahl der Korrekturkoeffizienten nicht auf eins eingeschränkt. Damit können für mehrere Laser-Leistungsabgabewerte mehrere Korrekturkoeffizienten erzeugt werden. Während dieses Vorgangs ist die Blende 34 geschlossen, und der Laserstrahl wird vom Strahlabsorber 32 absorbiert, damit kein Laserstrahl nach außen durchdringt.
Wird durch Betätigen der Lasereinheit 10 eine Laserbearbeitung oder ein ähnlicher Vorgang ausgeführt, so sendet der Laser-Leistungsabgabe-Befehlsabschnitt 18 an den Leistungsabgabe-Korrekturabschnitt 24 einen Befehl zum Berechnen der Soll-Leistungsabgabe mit Hilfe des Korrekturkoeffizienten, sowie den Leistungsabgabebefehl. Der Leistungsabgabe-Korrekturabschnitt 24 sendet die Soll-Leistungsabgabe sowie das Berechnungsergebnis anhand des Korrekturkoeffizienten an den Anregungsenergie-Befehlsabschnitt 20. Dadurch stimmt der Laser-Leistungsabgabewert im Wesentlichen mit der Soll-Leistungsabgabe überein.
Wird der Korrekturvorgang für mehrere Laser-Leistungsabgaben vorgenommen, und zwar für Soll-Leistungsabgaben, die sich von den für die Korrektur verwendeten Leistungsabgaben unterscheiden, so wird der Korrekturkoeffizient durch Interpolation bestimmt. Damit kann jede beliebige Soll-Leistungsabgabe geeignet bestimmt werden.
7 zeigt eine Skizze einer Lasereinheit 10' einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, bei der der Anregungsenergie-Sollwert gemäß 6a und 6b korrigiert wird. Jede Komponente in der Lasereinheit 10' ist mit dem gleichen Bezugszeichen bezeichnet wie die entsprechende Komponente in 1 und wird daher nicht nochmals beschrieben. Die weiteren Vorrichtungen wie die Laserstromversorgung und die Laserleistungs-Überwachung, die nicht im Lasercontroller 16' enthalten sind, können 1 entsprechen und sind in 7 nicht dargestellt.
Wird im Lasercontroller 16' der Korrekturbefehl zum Ausführen des Koeffizienten-Ermittlungsvorgangs gegeben, so werden nacheinander die tatsächlichen Laser-Leistungsabgabewerte gemessen, die zu einem oder mehreren Anregungsenergiewerten gehören. Da in der zweiten Ausführungsform nach 7 der Anregungsenergie-Sollwert als Sollausgabewert gegeben ist, wird der Korrekturkoeffizient für die Anregungsenergie dadurch bestimmt, dass der Anregungsenergie-Sollwert im Leistungsabgabe-Korrekturabschnitt 24' mit dem Laser-Leistungsabgabewert verglichen wird, den die Leistungsüberwachung misst. Wird die Lasereinheit 10' betrieben, so stimmt der Laser-Leistungsabgabewert im Wesentlichen mit dem Ausgabebefehl überein, wenn der Anregungsenergie-Sollwert mit dem Korrekturkoeffizienten multipliziert wird.
Wird der Koeffizienten-Ermittlungsvorgang in herkömmlicher Weise ausgeführt, so wird der für die Korrektur verwendete Laser-Leistungsabgabewert ermittelt, nachdem die Ausgabebefehlsbedingung für eine gegebene Zeitspanne konstant gehalten wurde oder nach einer Veränderung der Laser-Leistungsabgabe oder der Temperatur der Lasereinheit in einem bestimmten Bereich. Dagegen wird in der Erfindung der Laserstrahl der Reihe nach unter Laser-Ausgabebefehlsbedingungen in einer vorbestimmten Reihenfolge ausgegeben, wobei sich die Befehlsbedingungen vom Laser-Leistungsabgabebefehl für die Korrektur unterscheiden. Daraufhin erfolgt die Laser-Leistungsabgabe für die Korrektur und der Leistungsabgabewert wird gemessen. Nun wird die Laser-Leistungsabgabe abhängig vom gemessenen Laser-Leistungsabgabewert korrigiert. Zudem kann man die Laser-Leistungsabgabe-Befehlsbedingungen, die sich vom Laser-Leistungsabgabebefehl für die Korrektur unterscheiden, und die zugehörige Ausgabereihenfolge im Leistungsabgabe-Korrekturabschnitt des Laser-Leistungsabgabe-Befehlsabschnitts speichern, oder sie können von einer externen Komponente vorgegeben werden, beispielsweise einem NC-Programm.
Herkömmliche Verfahren werden von der Betriebs-Vorgeschichte der Lasereinheit vor dem Koeffizienten-Ermittlungsvorgang beeinflusst. Konkret kann der ermittelte Leistungsabgabe-Korrekturkoeffizient beeinträchtigt sein und Fehler aufweisen, und zwar abhängig davon, ob der Korrekturkoeffizient unmittelbar nach Inbetriebnahme der Lasereinheit ermittelt wird oder nicht, und von einem Faktor, der die thermische Umgebung innerhalb oder außerhalb der Lasereinheit betrifft. Insbesondere kann eine sehr geringe abgegebene Laserleistung nahe an der Oszillationsgrenze, bei der die Laserschwingung gerade noch auftreten kann, beträchtlich von den obigen Faktoren beeinflusst werden. Daher wird in der Erfindung eine Laser-Leistungsabgabe vorab unter Laser-Leistungsabgabe-Befehlsbedingungen vorgenommen, die sich vom Laser-Leistungsabgabebefehl zum Bestimmen des Korrekturkoeffizienten unterscheiden, und zwar in einer gegebenen Reihenfolge, wodurch die Leistungsabgabecharakteristik des Lasers und die Messcharakteristik der Leistungsüberwachung stabilisiert werden können, und die Laser-Leistungsabgabe kann auch bei sehr geringen Laserleistungen nahe an der Oszillationsgrenze exakt korrigiert werden.
Zudem kann in der Erfindung der Koeffizienten-Ermittlungsvorgang nach einem Aufwärmbetrieb vorgenommen werden, wobei der Laser gemäß einem Befehl für eine hohe Leistungsabgabe und einem nachfolgenden Befehl für eine geringe Leistungsabgabe ausgegeben wird. Ganz allgemein gehen in die Laser-Leistungsabgabe einige Prozent bis maximal 30 Prozent der der Lasereinheit zugeführten Energie über; die restliche Energie wird in Form von Wärme abgeführt. Damit die Temperatur einer jeden Komponente der Lasereinheit stabilisiert wird, nachdem der Laser-Leistungsabgabebefehl gegeben ist, muss man die eingegebene Wärme, die abgegeben Wärme und den inneren thermischen Zustand einer jeden Komponente im Gleichgewicht halten. Dies erfordert eine längere Zeitspanne. Durch das schnelle Aufwärmen der Lasereinheit mit einer hohen Laser-Leistungsabgabe und das nachfolgende Abführen der Überschusswärme der Lasereinheit und der Laserleistungs-Überwachung bei einer geringen Laser-Leistungsabgabe kann man den Koeffizienten-Ermittlungsvorgang rasch und exakt vornehmen.
Generell hat ein empfindlicher Sensor, etwa eine Laserleistungs-Überwachung, die Tendenz, die Laser-Leistungsabgabe oder ähnliche Größen nicht exakt und stabil zu messen, falls die innere Temperatur der Lasereinheit sehr hoch ist. Insbesondere dann, wenn eine sehr geringe Laser-Leistungsabgabe nahe an der Oszillationsgrenze zu messen ist, kann die Leistungsüberwachung keinen korrekten Messwert ausgeben, nachdem die Leistungsüberwachung auf eine gewisse Temperatur abgekühlt ist, da die Innentemperatur der Lasereinheit unmittelbar nach dem Beenden der Laseroszillation mit hoher Leistungsabgabe relativ hoch ist. Bei einer Komponente mit einem großen Volumen ist eine lange Zeit erforderlich, um ihre Temperatur nach der Inbetriebnahme der Lasereinheit zu stabilisieren. Die Temperatur einer derartigen Komponente stabilisiert sich jedoch relativ rasch, wenn die Leistungsabgabe des Lasers hoch ist. Es dauert jedoch lange, bis sich die Lasereinheit thermisch im stationären Zustand befindet, wenn unmittelbar nach Betriebsbeginn der Lasereinheit eine sehr geringe Leistungsabgabe nahe an der Oszillationsgrenze gemessen wird. Es ist daher äußerst wirksam, den Koeffizienten-Ermittlungsvorgang dann auszuführen, wenn die Lasereinheit zuerst mit hoher Leistung aufgewärmt wird und danach einige Zeit abkühlen kann. Anders ausgedrückt wird nach dem raschen Erwärmen der Lasereinheit mit hoher Leistung die Lasereinheit mit geringer Leistung betrieben, damit die überschüssige Wärme des Lasers und der Leistungsüberwachung abgeführt wird, wodurch sich die Lasereinheit thermisch stabilisiert. Dadurch kann die Reproduzierbarkeit eines Parameters wie der Temperatur verbessert werden, und die Laser-Leistungsabgabe lässt sich rasch und exakt korrigieren.
8 und 9 zeigen ein Beispiel für die obige Beschreibung, d. h. die Prozedur, bei der die Laser-Leistungsabgabe (oder die vorbereitende Laser-Leistungsabgabe) für eine vorbestimmte Zeitspanne bei einer oder mehreren voreingestellten Laser-Leistungsabgabe-Bedingungen in vorbestimmter Reihenfolge erfolgt. Dabei unterscheidet sich die Laser-Leistungsabgabe von einem Laser-Leistungsabgabebefehl zum Ermitteln des Korrekturkoeffizienten bevor der Koeffizienten-Ermittlungsvorgang ausgeführt wird, der auf der korrigierten Laser-Leistungsabgabe beruht, die man durch den Laser-Leistungsabgabebefehl zum Ermitteln des Korrekturkoeffizienten gewinnt.
8 zeigt die Prozedur, bei der der Laser zuerst mit der ”Leistungsabgabebedingung 1” schwingt, wobei danach eine zu messende zugeführte Anregungsenergie E₀ für eine konstante Zeitspanne beibehalten wird (Leistungsabgabebedingung 2). Anschließend wird die Laser-Leistungsabgabe gemessen und damit der Koeffizienten-Ermittlungsvorgang vorgenommen. 9 zeigt, dass der Laser zunächst mit der ”Leistungsabgabebedingung 1” schwingt, und danach wird eine zugeführte Anregungsenergie geringfügig unter der Oszillationsgrenze Ect für eine konstante Zeitspanne beibehalten (Leistungsabgabebedingung 2'). Anschließend wird die Laser-Leistungsabgabe unter der ”Leistungsabgabebedingung 3” und der ”Leistungsabgabebedingung 4” gemessen, die jeweils zugeführte Werte E₁ und E₀ der Anregungsenergie bezeichnen, die größer sind als die Oszillationsgrenze Ect, und damit der Koeffizienten-Ermittlungsvorgang vorgenommen.
In der Erfindung kann in der Lasereinheit, in der die Laser-Leistungsabgabe abhängig von mehreren Laser-Leistungsabgabe-Befehlsbedingungen korrigiert wird, die Laser-Leistungsabgabe korrigiert werden, nachdem der Laser für eine Leistungsabgabe-Befehlsbedingung ausgegeben wird, die sich von der korrigierten Laser-Leistungsabgabe-Befehlsbedingung unterscheidet, und zwar nur für eine geringe Leistungsabgabe-Befehlsbedingung. Ganz allgemein wird eine hohe Laser-Leistungsabgabe einer Hochleistungs-Lasereinheit sehr rasch stabil, und die Leistungsüberwachung für die Lasereinheit ist dafür ausgelegt, die hohe Leistungsabgabe zu messen. Damit kann man die hohe Laser-Leistungsabgabe exakt korrigieren. In der Hochleistungs-Lasereinheit ist jedoch beim Koeffizienten-Ermittlungsvorgang bei einer geringen Laser-Leistungsabgabe nahe an der Oszillationsgrenze der Status des Lasers instabil, und es ist wahrscheinlich, dass der Messwert der Leistungsüberwachung einen Fehler enthält. Wendet man die Erfindung nur dann auf die Korrektur an, wenn die Laser-Leistungsabgabe gering ist, so kann man Zeit und Geld für den Korrekturvorgang einsparen.
Es ist wichtig, jedoch auch schwierig, einen Wert der zugeführten Energie zu ermitteln, der eine sehr geringe Laser-Leistungsabgabe nahe an der Oszillationsgrenze liefert, damit man die sehr geringe Laser-Leistungsabgabe korrigieren kann. Wie die Kennlinie 44 in 6a und 6b zeigt, kann man eine sehr geringe Laser-Leistungsabgabe Po nahe an der Oszillationsgrenze bei der zugeführten Anregungsenergie Eo erhalten (am Punkt ”C”). Geht die Kennlinie jedoch auf die Kurve 46 über, so nimmt die zu E₀ gehörende Laser-Leistungsabgabe den Wert null an. Nun wird die gelieferte Anregungsenergie so verändert, dass man leicht den Wert Ect' der zugeführten Anregungsenergie bestimmen kann, der zu dem Status gehört, in dem die Laser-Leistungsabgabe null ist. Es ist jedoch eine sehr lange Zeit erforderlich, um eine derartige Prozedur durch Ausprobieren vorzunehmen. Man kann aber die zugeführten Anregungsenergie allmählich erhöhen oder verringern, um den Energiewert Ect' zu ermitteln. Bei dieser Vorgehensweise schwankt jedoch die Zeit vom Beginn der Messung der Laser-Leistungsabgabe bis zum Erhalt der Ect' entsprechenden Anregungsenergie beträchtlich. Damit kann man die Laser-Leistungsabgabe nicht in Bezug auf eine Vorgeschichte mit konstanter Temperatur messen, die für die Erfindung erforderlich ist.
Daher wird in der Erfindung die Laser-Leistungsabgabe bei mehreren Laser-Leistungsabgabe-Befehlsbedingungen gemessen, und die Leistungsabgabebedingung, die die geringste Laser-Leistungsabgabe liefert, wird aus dem Leistungsabgabe-Messergebnis der anderen Laser-Leistungsabgabe-Befehlsbedingung berechnet. Geht beispielsweise, siehe 6b, die Lasercharakteristik von Kurve 44 auf Kurve 46 über, so wird die Laser-Leistungsabgabe zuerst bei der Anregungsenergie gemessen, bei der man die Laser-Leistungsabgabe P₁ nach Kurve 44 erhält (Punkt ”D”). Gemäß Kurve 46 erhält man die Laser-Leistungsabgabe P₁' (Punkt ”F”). In ähnlicher Weise, siehe 6a, erhält man die Laser-Leistungsabgabe P₂' auf der Kennlinie 46 bei der Anregungsenergie, bei der man auf der Kurve 44 die Laser-Leistungsabgabe P₂ erhält. Aus P₁' und P₂' wird eine Steigung der Laser-Leistungsabgabe in Kurve 46 für die Anregungsenergie nahe an der Oszillationsgrenze berechnet. Durch Berechnen eines Punkts ”G” gestützt auf den Punkt ”F” kann man die Anregungsenergie E₀' berechnen, die der Laser-Leistungsabgabe P₀ in Kurve 46 entspricht. Anders beschrieben kann man durch Messen der Laser-Leistungsabgabe bei der Anregungsenergie E₀' die Laser-Leistungsabgabe nahe an P₀ mit einem einzigen Messvorgang erhalten, und man kann den Korrekturkoeffizienten für die Leistungsabgabe exakt berechnen.
Andernfalls kann man in der Erfindung die Leistungsabgabebedingung (beispielsweise die Anregungsenergie), die zu der geringsten Laser-Leistungsabgabe gehört, die für die Korrektur verwendet wird, vorab berechnen, indem man Daten verwendet, die beim Korrigieren der letzten Laser-Leistungsabgabe gewonnen wurden, und daraus berechnete Werte. Ganz allgemein ist es in 6b erforderlich, mehrere Messpunkte zum Berechnen der Steigung der Kennlinie 44 oder 46 zu verwenden. Geht das Verhalten von der Kurve 44 auf die Kurve 46 über, so verändert sich genau genommen auch die Steigung der Kurve, und die Anregungsenergie verschiebt sich von Ect auf Ect' (d. h. der x-Achsenabschnitt). Die Steigungsveränderung beeinflusst jedoch – zumindest in einem Bereich von P₀ bis P₁ (in der Nähe der Oszillationsgrenze) – den Zusammenhang zwischen der Anregungsenergie und der Laser-Leistungsabgabe im Vergleich zur Verschiebung des x-Achsenabschnitts nicht.
Beim Berechnen des Punkts G aus dem Punkt F in der Kennlinie 46 im vorhergehenden Koeffizienten-Ermittlungsvorgang kann man die Steigung eines Segments zwischen den Punkten C und D in der Kennlinie 44 vor dem Übergang zum Berechnen heranziehen. Anders formuliert wird die Steigung der vorhergehenden Kennlinie gespeichert, und daraufhin wird die Anregungsenergie E₀' abhängig von der Steigung im Koeffizienten-Ermittlungsvorgang berechnet. Durch diese Maßnahme sind nur zwei Messpunkte für den Koeffizienten-Ermittlungsvorgang bei einer sehr geringer Laser-Leistungsabgabe in der Nähe der Oszillationsgrenze erforderlich.
Im Beispiel nach 9 wird der Laser gemäß der ”Leistungsabgabebedingung 4” ausgegeben, die gestützt auf den in der ”Leistungsabgabebedingung 3” gemessenen Laser-Leistungsabgabewert, das Messergebnis des vorhergehenden Koeffizienten-Ermittlungsvorgangs und die berechnete Steigung der Kennlinie ermittelt wird, womit man den Koeffizienten-Ermittlungsvorgang bei einer sehr geringen Laser-Leistungsabgabe in der Nähe der Oszillationsgrenze ausführen kann.
Bei einer sehr geringen Laser-Leistungsabgabe, bei der der Laser schwingt oder auch nicht, wird ein weiterer Korrekturpunkt bei hoher Laser-Leistungsabgabe gemessen, und daraufhin kann die Laser-Leistungsabgabebedingung vorab berechnet werden, damit die Laser-Leistungsabgabe korrigiert wird. Ist die nach dem Aufwärmvorgang gemessene Laser-Leistungsabgabe jedoch kein Wert in der Nähe einer beabsichtigten Laser-Leistungsabgabe, so lässt sich eine solche geringe Laser-Leistungsabgabe nicht exakt korrigieren. Soll die Laser-Leistungsabgabe in diesem Fall erneut gemessen werden, so kann man die Laser-Leistungsabgabe nicht exakt messen, wenn nicht der Aufwärmvorgang nochmals vorgenommen wird. Beim Messen einer sehr geringen Laser-Leistungsabgabe wird eine Laser-Leistungsabgabebedingung abhängig von einem vorhergehenden Messergebnis bei einer relativ hohen Laser-Leistungsabgabe vorhergesagt, und anschließend die Laser-Leistungsabgabe korrigiert. Durch diese Maßnahme kann man die geringe Laser-Leistungsabgabe mit minimalem Zeitaufwand exakt korrigieren.
In der bisherigen Beschreibung ist die Laser-Leistungsabgabebedingung eine kontinuierliche Leistungsabgabebedingung. Bei vielen herkömmlichen Lasereinheiten wird jedoch eine Anzahl Impulse ausgegeben, die eine Frequenz von ungefähr 1 Hz bis 10 kHz aufweisen, und der Laser wird in einer Impulskurve ausgegeben. In diesem Fall werden die Impulsfrequenz, das Impuls-Schaltverhältnis, die Anzahl der Impulse je Zeiteinheit, die Impulseinschaltzeit und die Impulsausschaltzeit zu einer Leistungsabgabebedingung zusammengeführt. Anstelle der Laser-Leistungsabgabe von einigen tausend Watt kann man eine andere physikalische Größe als das Laserlicht als Laser-Leistungsabgabebedingung verwenden, beispielsweise den Entladungsstromwert und/oder die Menge an Anregungslicht. Zudem kann man eine physikalische Betriebsgröße, beispielsweise die Laser-Leistungsabgabe, den Entladungsstromwert und die Menge an Anregungslicht durch eine Gleichung darstellen, in die extra eine Versatzgröße eingeht (siehe ΔEct in Gleichung (4)), und man kann die Versatzgröße weiterhin in eine feste Komponente und eine variable Komponente unterteilen. Diese Abläufe können in die Laser-Leistungsabgabebedingung eingeschlossen werden. Zusätzlich kann man als Messwert der Laser-Leistungsabgabe den zeitlichen Mittelwert der Energie, die Wärmemenge je Impuls oder einen Spitzenwert verwenden.
In 8 und 9 wird eine Anregungsenergie unterhalb der Oszillationsgrenze vor und nach der Korrektur der Leistungsabgabe zugeführt (d. h. vor der ”Leistungsabgabebedingung 1” und nach der ”Leistungsabgabebedingung 2” oder ”Leistungsabgabebedingung 4”). Diese Operation, die einer vorhergehenden Entladung oder einer Simmer-Entladung entspricht, wird in vielen Lasereinheiten vorgenommen und hat die Wirkung, dass die Lasereinheit rasch und stabil in Betrieb geht, wenn der Laser-Leistungsabgabebefehl ausgegeben wird. In der ”Leistungsabgabebedingung 2'” nach 9 wird eine Energie geringfügig unter der Laseroszillationsgrenze Ect zugeführt, wodurch die Lasereinheit wirksam gekühlt wird, wogegen einige Komponenten der Lasereinheit davor bewahrt werden, dass sie zu stark gekühlt werden. Zudem kann ein Leistungsabgabebefehl ausgeführt werden, in dem eine Oszillationsgrenze Ect oder ein Entladestromwert in der Simmer-Entladung verändert wird. Daraufhin kann der Laser-Leistungsabgabewert für die Korrektur gemessen werden.
Gemäß der Erfindung wird eine Laser-Leistungsabgabe vorab mit einer Laser-Leistungsabgabe-Befehlsbedingung vorgenommen, die sich von dem Laser-Leistungsabgabebefehl zum Bestimmen des Korrekturkoeffizienten unterscheidet, und zwar in einer gegebenen Reihenfolge, wodurch man das Leistungsabgabeverhalten des Lasers und die Messcharakteristik der Leistungsüberwachung stabilisieren kann, und die Laser-Leistungsabgabe kann exakt korrigiert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2005-251855 [0002]
JP 9-107146 [0003]
JP 6-61565 [0004]

Claims

Lasereinheit, umfassend: einen Befehlsabschnitt (18) für die Laser-Leistungsabgabe, der dafür ausgelegt ist, einen Befehl für die Laser-Leistungsabgabe zu erzeugen, der auf einem vorbestimmten Programm oder einer Benutzereingabe beruht; einen Befehlsabschnitt (20) für die Anregungsenergie, der dafür ausgelegt ist, aus dem Befehl für die Laser-Leistungsabgabe einen Befehl für die Anregungsenergie zu erzeugen, der an eine Laser-Stromversorgung (14) übertragen wird; eine Laserleistungs-Überwachung (12), die dafür ausgelegt ist, die Leistungsabgabe des Lasers zu messen, die man durch die Anregungsenergie erhält, die die Laser-Stromversorgung (14) abgibt; und einen Leistungsabgabe-Korrekturabschnitt (24), der dafür ausgelegt ist, einen Korrekturkoeffizienten zu bestimmen, der dem Korrigieren der Soll-Leistungsabgabe dient und in dem Befehl für die Laser-Leistungsabgabe enthalten ist, damit die Soll-Leistungsabgabe mit der Laser-Leistungsabgabe übereinstimmt, die die Laserleistungs-Überwachung misst, dadurch gekennzeichnet, dass die Lasereinheit umfasst: einen Abschnitt (18) für die vorbereitende Laser-Leistungsabgabe, der dafür ausgelegt ist, eine vorbereitende Laser-Leistungsabgabe auszuführen, und zwar für eine vorbestimmt Zeitdauer und bei einer oder mehreren voreingestellten Bedingungen für die Laser-Leistungsabgabe, wobei sich ein Befehl für die vorbereitende Laser-Leistungsabgabe von einem Befehl für die Laser-Leistungsabgabe unterscheidet, der dem Ermitteln des Korrekturkoeffizienten dient; und einen Korrekturabschnitt (18) für die Laserausgabe, der dafür ausgelegt ist, nach der vorbereitenden Laser-Leistungsabgabe eine Korrektur-Laser-Leistungsabgabe über eine Zeitspanne auszugeben, und zwar gemäß einer Bedingung für die Laser-Leistungsabgabe, die dem Ermitteln des Korrekturkoeffizienten dient, wobei der Leistungsabgabe-Korrekturabschnitt (24) den Korrekturkoeffizienten anhand eines Messergebnisses der vorbereitenden Laser-Leistungsabgabe und der Korrektur-Laser-Leistungsabgabe bestimmt.
Lasereinheit nach Anspruch 1, wobei die Laser-Leistungsabgabe des Abschnitts für die vorbereitende Laser-Leistungsabgabe auf einer Anzahl Befehle für die Laser-Leistungsabgabe beruht, die unterschiedliche Leistungsabgabewerte enthalten, und die Anzahl Befehle für die Laser-Leistungsabgabe einen Befehl enthält, durch den der Laser der Reihe nach von einer hohen Laser-Leistungsabgabe auf eine geringe Laser-Leistungsabgabe eingestellt wird.
Lasereinheit nach Anspruch 1, wobei der Korrekturabschnitt (24) für die Leistungsabgabe den Befehl für die Laser-Leistungsabgabe gestützt auf ein Messergebnis der Laser-Leistungsabgabe unter mehreren Bedingungen für den Laser-Leistungsabgabe-Befehl korrigiert, und der Korrekturabschnitt (24) für die Leistungsabgabe den Leistungsabgabebefehl so korrigiert, dass die Laser-Leistungsabgabe, die die Laserleistungs-Überwachung (12) misst, mit der befohlenen Leistungsabgabe zusammenfällt, jedoch nur dann, wenn die Bedingung für den Laser-Leistungsabgabe-Befehl unter einem vorbestimmten Wert liegt.
Lasereinheit nach Anspruch 1, wobei der Korrekturabschnitt (24) für die Leistungsabgabe den Befehl für die Laser-Leistungsabgabe gestützt auf ein Messergebnis der Laser-Leistungsabgabe unter mehreren Bedingungen für den Laser-Leistungsabgabe-Befehl korrigiert, und die geringste Bedingung für den Laser-Leistungsabgabe-Befehl abhängig von einem Messergebnis der Laser-Leistungsabgabe der anderen Bedingungen für den Laser-Leistungsabgabe-Befehl berechnet wird.
Lasereinheit nach Anspruch 1, wobei der Korrekturabschnitt (24) für die Leistungsabgabe den Befehl für die Laser-Leistungsabgabe gestützt auf ein Messergebnis der Laser-Leistungsabgabe unter mehreren Bedingungen für den Laser-Leistungsabgabe-Befehl korrigiert, und die geringste Bedingung für den Laser-Leistungsabgabe-Befehl abhängig von einem Messergebnis der Laser-Leistungsabgabe der anderen Bedingungen für den Laser-Leistungsabgabe-Befehl und einem Messergebnis einer früheren korrigierten Laser-Leistungsabgabe berechnet wird, das vorher gespeichert wurde.